Caractérisation thermique d'un matériau à changement de phase dans une structure conductrice

par Kevin Merlin

Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion

Sous la direction de Didier Delaunay.

Le président du jury était Véronique Michaud.

Le jury était composé de Jean-Pierre Bedecarrats, Cédric Lebot, Lingai Luo, Jérôme Soto.

Les rapporteurs étaient Xavier Py, Laurent Zalewski.


  • Résumé

    La récupération de chaleur fatale est un véritable challenge pour l’amélioration de l’efficacité énergétique. Le stockage par chaleur latente est une solution qui répond à cet enjeu. Nous nous intéressons aux procédés industriels avec un rapport puissance sur énergie élevé. L’un des procédés identifiés est la stérilisation de produits agroalimentaires. Cependant, les matériaux à changement de phase, peu conducteurs, ne permettent pas d’obtenir des puissances thermiques suffisantes pour ces applications. L’amélioration de la surface d’échange ou l’augmentation de la conductivité thermique du matériau sont alors nécessaires. Un premier dispositif expérimental de stockage thermique comparant différentes techniques d’intensification des transferts a été réalisé. Le concept à base de paraffine et de Graphite Naturel Expansé (GNE) s’est montré le plus performant par rapport à des solutions de type ailettes ou poudre de graphite. La caractérisation thermique du matériau composite GNE/paraffine sélectionné a été réalisée par plusieurs méthodes. Des valeurs de conductivité thermique effective de l’ordre 20 W.m-1.K-1 ont été obtenues. Dans un second temps, un démonstrateur de 100kW/6kW.h est dimensionné et réalisé. Ce dispositif testé sur un procédé de stérilisation existant permet une économie d’énergie de 15%, conforme aux prévisions. L’identification de la conductivité thermique plane du matériau et l’influence de la résistance thermique de contact sont réalisées à l’aide d’un dispositif expérimental, couplé à un modèle numérique. Enfin, le développement d’un dispositif de vieillissement permet l’étude de la stabilité thermique de ce matériau.


  • Résumé

    Waste heat recovery is a challenge for the improvement of energy efficiency. Latent heat storage is a solution that addresses this issue. We focus on industrial processes with high energy on power ratios. One of the identified processes is the sterilization of food products. However, phase change materials, which have low thermal conductivities, do not provide sufficient thermal powers for these applications. The improvement of the heat exchange surface or the increase in thermal conductivity of the material are then necessary. A first experimental thermal storage comparing various heat transfer intensification techniques was achieved. The concept based on paraffin and Expanded Natural Graphite (ENG) has proven to be the most efficient compared to solutions using fins or graphite powder. The thermal characterization of the selected composite material ENG/paraffin was performed by several methods. Effective thermal conductivities values of about 20 W.m-1.K-1 were obtained. In a second step, a 100kW/6kW.h demonstrator is designed and realized. This device tested on an existing sterilization process provides an energy saving of 15%, as expected. The identification of the planar thermal conductivity of the composite material and the influence of the thermal contact resistance are carried out using an experimental device, coupled to a numerical model. Finally, an aging device is used to study the thermal stability of this material


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